CN86108911A - 流体动力学主动式四肢并用滑水装置 - Google Patents

Abstract

一种无需外牵引力，四肢并用的滑水装置。其滑水板下有数块可转动的推水板、导流槽，上有浮体和脚套等。当向后下方蹬水时，水的反作用力使人向前上方运动，当惯性滑行时，各推水板和导流槽、板体形成一狭窄通道而产生升力。滑水手杖上的推水板也可产生向前上方的力。可四肢并用滑行、转弯、跳跃，光用脚滑水等。本装置小而轻，简单且成本低，阻力小，速度快，可用于水上运动、表演，或成为大众化的水上交通工具和自救救生工具。

Description

本发明属于水上运动和娱乐器械。

现有的水上运动器械有几种：一、冲浪板，它本身无动力，运动要靠波浪的冲击，故受到波浪的有无、大小、时间、地区等限制。现有的滑水板要由外动力（如汽艇等）牵引，运动员手拉牵引绳在水上滑动，无外拖力便不能运动。另外几种现有的滑水板（见《专利文献通报、运动娱乐》85年第一期P37    A63C15/02，DE3127408介绍的一种“单人用漂浮装置”）其主要由几个与脚和手连接的漂浮器组成，由于其排水量须大于人和器械的总重，故其体积较大，又因没有动力装置而滑行缓慢。见《参考消息》报85·10·21第四版“戴维莫刷新水上行走世界纪录”一文说“……这种滑水筏是用11英尺长的塑料板制成的，类似介于滑雪板和小型皮船之间的东西，使用时将它绑在脚上，10小时走了30海里……”可见其长约3.4米，最高时速不过5.6公里。又见同上“运动娱乐”86·4期，P35中A63C15/00，EP118958的“能在水中行步的浮动滑水板：前和后浮动的部件（1a，b）通过关节结合连接在一起。……前部件有一个可移动的鳍状物（205），……该滑水杖端部可以装有中空弯曲推进鳍，用于使用者的手动推动。用途：用于拖水中的滑水杖”这种滑水杖浮力较大，脚似乎不起推进作用，而仅仅用手臂推进。

本发明的目的在于提出一种无需外来动力，而靠滑水者的四肢运动提供的向上向前的流体动力学反作用力和升力来平衡人和滑水装置的一部分重量（另部分重量由排水量小于人加滑水装置的全重因而体积也较小的滑水装置本身的浮力所平衡）同时提供一同前的力，使人在水面上快速滑行和跳跃等的滑水方法及其装置。

本发明的装置为两块脚蹬滑水板和两根滑水手杖。滑水板由刚性的低比重材料制成，板呈长条形，横断面为光滑的类似槽钢的ㄇ形长条，长条的两个侧边连接有数块沿板的长轴方向等距分布的可在一定角度范围内旋转的刚性推水板，（有可调的限位条来控制它们转动的极限角度）其转动轴垂直于滑水板的长轴。滑水板的最前下方蒙了一张挡污网，网后是一段导流槽，其断面为矩形槽，矩形槽的铅直方向的高度尺寸沿一曲线渐渐减小至等于形体的侧边高度，其宽度等于ㄇ形体的宽度且不变化;槽直接与其后面的ㄇ形部分连接（两者可制为一整体）。最后一块推水板的后部平行其转动轴方向开有一狭长槽，另外由于ㄇ形槽的两个侧边在这块板之后有一向下斜角，故这最后一块推水板的极限转动角也与前几块不同（原因后述）;滑水板上部几何中心附近是外形象胶靴一样的脚套，起固定脚并防止脚遇水弄湿的作用，套上有类似溜冰鞋、滑雪板上的那种固定脚的可调绳带。脚套的前后是两块与滑水板体同宽度的适当厚度的狭长的辅助浮体，起增大浮力的作用，可用不易破损的充气材料或硬质泡沫塑料、玻璃钢壳体等制成。脚套的左右两侧视需要还可有几条沿长轴方向的加强筋条;脚套的最左、右外侧有两块与浮体同高的沿铅直方向的挡流板，板的后下方有漏水孔。前后浮体和挡流板连成一流线体。

当然，ㄇ形滑水板、导流槽、挡污网和上面的浮体，甚至脚套、挡流板、加强筋等都可以用同种高强度低比重材料（如制造普通冲浪板、滑水板的材料）整体制出，另外将推水板、限位条、螺钉、轴等装上去就可以了。当滑水者用脚向后下方蹬滑水板时，由于水的反推力使各推水板同时逆蹬水方向转到它们的极限位置，而碰到限位条，便不能再转动了，（此时板与水平面成一角度，并且各板间互相平行）于是各推水板以及导流槽和滑水板本身就将脚的向后下方的蹬力传给水，同时水给前者一个向斜上方的反作用合力，这合力的向上分力抵消了一部分人加滑水装置的重量（以下简称“全重”），而向前的分力则推动人向前运动。当不蹬水而靠惯性向前滑行时，迎面来的水推力使各推水板逆前进方向旋至与水平面平行的另一极限位置，此时各等距的推水板首尾相连，与导流槽、滑水板体的ㄇ形条形成一个矩形断面的铅直方向尺寸很小的狭窄通道，迎面来的水流经挡污网后进入导流槽，因槽的铅直方向的尺寸越来越小，故通道面积也越来越小;据流体连续原理和柏努利方程可知，流体因通道面积减小而流速加快，又因通道的高度差几乎为零，故流体对通道壁的压强减小，以至于小于通道外的推水板下方的相对流速低的流体，（通道的上方是滑水板固体实体，它对通道中流体的压力仅仅与滑水板上脚的向下力有关，而与流体流速无关。通道左右两侧的流体压力大小相等，方向相反而抵消。）于是这个压强差就提供了一个向上的升力，（以下提到的升力就指此力），使不蹬水而靠惯性滑行时也能受到向上的力，从而抵消了另一部分全重。

滑水手杖为一刚性杆件，一头有把手和防止手滑脱的护手套圈和可将左右两根手杖连接起来临时挂在脖子上的连接绳索（有如连接一付棉手套的长绳），手杖的另一端有一小段弯曲成90°，其末端连接一块可转动的刚性推水板，板的旋转轴垂直于手杖的长轴线，并且平行于水平面，当手臂推动手杖向后下方推水时，推水板受水的作用，很快转到与90°的弯曲部分相碰位置，（此时推水板与水平面成一定角度），而不再转动，于是便将力作用在水中，水的反作用力向前上方，抵消部分全重并产生向前推力。当不推水时推水板在迎面水流的作用下在水平面附近自由摆动。

上述的滑水板和手杖形状两两相同，区别仅在于用于左右脚（手）的脚套、把手左右对称。

当左臂和右臂同时向后下方用力蹬（推）水时，右臂和左腿不动，此时水的反作用力作用在左臂和右腿上，升力作用在左腿上，这三种力和浮力一起抵消了全重并使人向前运动。当左臂和右脚向后运动到极限位置后，右臂和左腿紧接着同时向后下方蹬（推）水，反作用力又作用于右臂和左腿上，升力作用在右腿上，使身体继续向前……如此交替动作，人就在水面上持续向前滑行了。

当左臂左腿同手同腿同时蹬（推）水时，因为人的重心的投影在左右腿中间，故反作用力便产生一个使人向右转的力矩，从而可实行右转弯;反之当右臂右腿同时作用便可左转弯。

当滑行到一定速度后，还可以双臂双腿同时蹬（推）水，此时反作用力巨大，可使人和滑水装置跃出水面，进行水上跳跃动作，此动作可连续进行，也可和上述的左右腿交替蹬而滑水的动作轮换进行。

刚刚入水时的向前运动速度几乎为零，此时滑水板全部吃入水中，运动阻力较大，全重大部分由四个浮体和滑水板等的浮力抵消;故一下水后就须立即用力蹬（推）水，（最好能以一定的初速度跃入水中）抵消部分全重，并使升力产生，随着速度提高，升力也加大，吃水深度减小，水的阻力也减小，于是又使速度更加变快，直到水的阻力和空气阻力等于向前推力时，速度便不会变化了。

另外，由于总浮力小于全重，故在水上须不停地蹬（推）水，否则停下来便会渐渐沉下去。当需要减速停止或上岸时，双腿停止蹬水，双臂交替或同时向前方推水就可以了。

当滑行到一定速度后，双手或一只手因要操纵其它器械，（如武装人员用此滑水装置滑水同时用手操纵武器时，或水上表演手上有其他表演器械时）而不能或暂时不能用手杖推水时，就将两根手杖用连接绳挂在脖子上，而仅仅靠腿的蹬力来前进，（从长跑和登山运动中人的双腿交替单独承受人体重量，并将人体向上向前推动的事实可判断，光靠双腿的交替蹬力也可使人在水面上滑行。

由于各人的体重，腿的蹬力大小有所区别，为使各推水板有一随之变化的极限角度，以便调整向上向前的分力的比例;就须将限位条上下调整以适应这变化。

另外，对于不同人的特性，（如：体重、负重、性别、年龄）和滑水区域;（如海水因比重大而其浮力比淡水大，并且腐蚀性

比淡水大），可以设计几种档次的滑水板，其体积和尺寸以及材料有所区别;可分负重型（浮力较大），速度型（体积小而阻力小）、成人型、儿童型;军用、民用、表演用等多种类型。

为了减小在流体中的运动阻力，本发明采取了如下措施：

（1）因本装置不完全靠其浮力来支持人体重量，故其排水量和体积都较小，吃水浅，水下迎水面积小，可减低水中运动阻力。

（2）滑水板的长度较短，这样无论是蹬水还是各推水板形成一流体通道时的流体沿程损失都小。

（3）本滑水板的各水下部位件很光滑，以便形成水力光滑管，防止紊流的产生。

（4）ㄇ形槽和推水板是平直的，它们形成的狭窄通道有断面一致性，没有局部凹凸不平，不对流速扰动，以尽量杜绝流动中的局部损失。

（5）由于矩形管道中的雷诺数Re＝ (ρv)/(μ) (2ab)/(（a+b）) ，（ρ为水密度，μ为动力粘度，v为流速，a、b为断面的长、宽。）适当地设计

形板的矩形断面长宽，就可减小Re数，使当调整运动时也能保持层流，避免紊流产生。

（6）为杜绝流体刚进入矩形狭窄通道时因断面突然收缩而形成的入流损失，滑水板前下方的曲面导流槽的矩形断面的高度尺寸是逐渐收缩的。

（7）流体经最后一片推水板后便形成淹没出流，为减小出流处因脱流、旋涡而引起的附加阻力，这最后一片推水板的上极限位置并不与水平面平行，而是有一向下倾角（约6°～16°）使出流通道逐渐扩大。

（8）为了消除出流口因附面层分离而产生的附加阻力，最后一片推水板上平行于其转动轴的方向开有一光滑狭长槽，使通道外的小股流体流入通道内出流口，加速出流口表面流体动能，杜绝附面层分离，减小阻力。（此举类似飞机机翼上的副翼作用。）

（9）板最前方的挡污网可以有效地防止浮于水面上的异物随流体进入通道而妨碍各推水板的运动。

（10）板上前后浮体和脚套最外侧两块挡流板从上面看形成了一类似赛车或雨滴状的流线体，这样当低速吃水深时，这三部分入水中后的流体阻力也尽可能小。

本发明提出了一种无外动力的水上运动装置，而现有的各种人力运动器械，如自行车、人力飞机、滑雪板、溜冰鞋（包括旱冰）等，其动力来源不是双腿（如自行车、人力飞机、滑冰）就是双手（滑雪），而本发明是四肢并用来驱动，充分利用人的体力、动力巨大，这是优点之一。

本发明与现有的多种水上运动相比如下表：

可见本发明比现有各种水上运动还有如下优点：

（1）装置小而轻，携带方便，可象滑雪板那样方便地携带，遇水即可渡水。

（2）由于其体积比各种小船，水上漂浮装置都小，另件数量少，可用木材，泡沫塑料，软木、充气材料、增强塑料、高强度低比重的金属和合金等便宜的非特殊材料制作;且形状简单，精度低，机械配合处很少，加工容易，也可用整体成型;故其价格低廉，易于普及。

（3）由于体积小、重量轻、吃水浅，迎水面积小，又有多种措施减小运动阻力，又加上四肢并用动力大，可见其滑水速度必将比现有大部分水上运动速度快，单位路程中的体力消耗小，可长时间长距离滑行。

（4）由于无需用汽艇等牵引，故节约能源，减少装置的复杂性，使其用途比一般滑水板广得多。

（5）由于上述特点，本发明的装置用途广泛，它不仅可用于体育、水上娱乐，表演，还可以象自行车成为陆上个人交通工具一样成为大众化的水上（江河湖海）交通工具，也可作为武装人员和侦察人员横渡江河的必备工具;还可作为水面遇难人员的互救和自救的救生工具。

实现本发明较好的一种实例参见各附图。

为了表示清楚，各图中有些小零件的体积画的较大，即比例不太精确;另外各零件的剖面线与机械制图中的规定不尽一致，因为如上所述，可制作本装置的材料种类很多，故仅在图中用同一种类型的剖面线代表同一零件。

图1至图15为滑水板构造示意图，图1为主视图，图2为左视图，图3为俯视图，图4至图8为A-A至E-E的各剖视（面）图。其中1为ㄇ形长条板体，2为挡污网，3为导流槽，从A-A剖面和E-E剖视的前下方可见导流槽的断面为矩形槽，其宽度不变，高度沿曲线逐渐收缩至与ㄇ形条等高。ㄇ形条的下方等距分布着几对半园环4，环上有孔和轴5。6为推水板（图中画了5块板，实际上视需要可比这多或少），7为限位条，从C-C剖面可见：限位条上开有长腰形孔，松开两个螺钉8就可上下调节限位条，从而可调节各推水板沿图1中顺时针方向转动的极限角度。ㄇ形条上前后各有一浮体9（其剖面线一律用交叉斜线），中央是脚套10，套上有可调松紧的绳带11，套两侧各有一加强筋12，13为两块挡流板，板的后下方有一排流孔14，以排出可能进入脚套周围的积水，从俯视图可见，前后浮体和两块挡流板形成一流线体。

从C-C、D-D剖面和图11、14、15可见，轴5的两头较大（或装好推水板后再弯成90°），将各推水板6连接在半园环中，且不使它脱离ㄇ形条1。

图9至图11为推水板体构造图的主视、俯视和剖视图;推水板为矩形板，前一小半宽度小于ㄇ形条的内宽度，以便在条中自由转动，后大半部分宽度大于ㄇ形条的外宽度，这样就可完全盖住ㄇ形条而形成一流体通道;推水板的正面周围有一条很薄的弹性材料15（如软橡皮等），当形成流体通道时它可起进一步水封作用，使外部流体不会从可能产生的缝隙中压入低压的通道内，推水板的反面连接有一对同轴半圆环和孔16，另有三条加强筋17。图12至14为最末一片推水板的主视、俯视和剖视图，从图中可见，其后部平行于其转动轴方向有一窄槽18，从而三条加强筋也适当地短一些。

图15为两块推水板首尾连接图，是从ㄇ形条的底部向上看的局部视图，1为ㄇ形条，图16为流体通道中的流线图，F为脚向下的力，P₀S为通道外下方的流体压力，（S为面积，P、P₀为压强）PS为通道内的流体压力，仅有PS与通道的截面积变化和流速有关。从图中可见入流口和出流口都是逐渐变化的，还可见通道外有一根流线沿最后一片推水板的狭缝进入了通道内。

图17、18为滑水手杖结构示意图，19为杖杆，20为把手，21为护手套圈，22为连接绳索，23为推水板，板上有加强筋24，一对同轴圆环和孔25，连接轴26，轴的两头较大或穿过去后弯成90°以防轴从孔中脱落。

图19为滑水运动示意图，此图表明左腿向后下方一个蹬力F被滑水板下的各推水板分成几个分力;右臂此时也有一向后下方的分力f，左臂休息，其推水板呈水平自由摆动态，右腿下的滑水板此时正形成一流体通道。

Claims (7)

1、一种无需外牵引力而靠滑水者四肢运动所提供的向前上方的流体反作用力、流体动力学升力和装置的浮力来平衡人和滑水装置的全部重量并推动人向前运动的滑水装置，它由一对滑水板和一对滑水手杖组成，滑水板的下方有数块可转动的推水板，当向后下方蹬水时，作用在各推水板和滑水板体上的反作用力使人向前上方运动，当惯性滑行时，滑水板能形成一前面矩形截面积较大，尔后缩小成一矩形断面的狭窄的流体通道，从而产生流体动力学升力，滑水手杖上有可转动的推水板、推水时，水的反作用力使人向前上方运动。

2、按权利要求1所说的滑水装置，其排水量小于人加装置的全部重量，故体积较小，其滑水板体为ㄇ形断面的长条形，板体前下方有挡污网，后紧接一段矩形断面的且断面的铅直方向尺寸沿一曲线逐渐减小的导流槽，槽后紧接着ㄇ形长条部分，ㄇ形条上有数对等间距的半圆环、环上有孔，ㄇ形条侧面有数对可调的限位条，各半园环孔中用轴连接着可在一定角度范围内转动的刚性推水板，滑水板上部有防水脚套和固定脚的可调绳带，脚套的前后各有一块辅助浮体，还有两块挡流板，滑水手杖的一头有把手，护手套圈和连接绳，另一头是推水板。

3、按权利要求1或2所述的滑水装置，滑水板的长度较短，体积小，吃水浅，水下迎水面积小，水下各部件都很光滑，滑水板所形成的流体通道有断面一致性，流动中局部损失被减到最小，通道的矩形断面的长和宽被设计得尽量减小雷诺数，流体通道的出流口是逐渐扩大的，最后一片推水板上平行于其转动轴的方向开有一光滑狭长槽，滑水板上的浮体和两块挡流板连接成一流线体，挡流板的后下方有斜的漏水孔。

4、如权利要求1或2或3所述的滑水装置，其滑水板上的各推水板，脚套的两侧和滑水手杖上的推水板上有几条加强筋，滑水板流体通道的出流口有6°～16°的逐渐扩大的夹角，滑水板的各推水板上有一条很薄的弹性材料、起水封作用，各推水板由两头较粗的轴或穿过去后弯成90°的轴与半圆环等连接限位条上有长腰孔，有两个螺钉将它固定在滑水板体上，松开螺钉就可上下调节限位条。

5、如权利要求1或2或3或4所述的滑水装置，其浮体由充气材料或不吸水的泡沫塑料等组成，而其余部件由较高强度低比重的材料，如木材、硬质泡沫塑料、增强塑料，低比重金属和合金等制成。

6、如权利要求项1或2或3或4所述的滑水装置，其滑水板上除推水板、限位条、螺钉、轴等零件外，其余零件用同种高强度低比重材料（如制造普通冲浪板、滑水板的材料）整体制出。

7、如权利要求项1或2或3或4或5或6所述的滑水装置，按滑水者的各种与滑水有关的特性和滑水区域、滑水装置的军用民用成人用儿童用等设计制作成不同档次的滑水装置。

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